齿轮钢锻造及热处理工艺研究

李荫现,龚仁春

江苏飞船股份有限公司，江苏省泰州市，225516

作者简介：李荫现（1976.9--）男，汉族，江苏省泰州市人，本科，高级工程师，主要研究方向：金属材料的冷、热成形，预处理，产品最终热处理的工艺编制、开发；齿轮、模具等新材料的应用；齿轮、模具新工艺的研究和应用；异常失效件的分析和问题解决。

摘要：本文研究了普通正火、等温正火、锻造余热等温正火三种预热处理工艺对22CrMoH和20MnCr5齿轮钢锻件组织与性能的影响。研究发现，采用22CrMoH钢和20MnCr5钢进行高温锻造，可获得良好的贝氏体组织，并可明显获取到大颗粒、高硬度的晶粒。采用常规正火工艺处理合金渗碳钢，其组织结构和冷却速率较窄(6~9℃/min)，生产中难以控制。采用等温正火和锻造余热等温正火，在580~660℃范围内得到了最佳的组织和硬度。更易控制生产环节；锻造余热等温正火得到的是铁素体、贝氏体组织。介绍了余热等温正火工艺参数的优化方法，即控制余热等温正火工艺的三个主要工艺参数。依据齿轮形状和零件尺寸，对其等温前冷却速度、温度和时间三个工艺参数进行了合理选择。对铁素体加珠光体平衡组织进行了研究，并分析了等温锻造余热正火组织对表面加工性和后续热处理性能的影响。通过后续加热，奥氏体晶粒保持稳定均匀，获得了理想的正火组织。因组织、硬度适宜，零件加工性能良好，渗碳变形稳定。本文以22CrMoH钢，20MnCr5钢零件为例，进行了实际生产，采用余热等温正火新工艺，节能降耗，经济效益显著，具有很高的实用价值。正火成本从每公斤0.35元降至每公斤0.22元。

关键词：汽车齿轮钢；预热处理；普通正火；等温正火；锻造余热等温正火

引言

汽车制造中，齿轮是必不可少的，每一个齿轮，特别是后桥齿轮，变速齿轮的质量如何，直接影响着整个传动系统和整车的可靠性。公司所生产的汽车后桥减速器为中、轻、重三种类型，常会出现安装困难、噪音大、齿面磨损等问题。根据调查结果得知，总成质量的主要影响因素之一就是齿轮渗碳淬火后形成的变形波动，导致齿轮产品接触区发生偏移。结果表明：齿坯正火后的组织结构和硬度，对切削加工性能和渗碳淬火变形规律有较大影响；通过再加热正火这一预热传统工艺可改善齿坯性能，即正常正火工艺。但大量生产过程表明，常规正火工艺下的切削加工及稳定渗碳淬火后变形规律难以满足变形规律的要求。渗碳淬火是影响渗碳钢变形的主要因素，而前期预处理对锻件变形影响较大。近年来，随着各种原材料的引进，生产加工水平的提高，同时也加大了对合金渗碳齿轮钢锻造齿坯预先热处理工艺的要求，以及对新材料的需求，在20世纪80年代开始了正规化进程。轿车齿轮箱显微结构研究和生产控制、等温正火的高温加热和连续冷却，尤其是利用锻造余热等温正火，至今未见报道。如何改进合金渗碳齿轮钢锻造齿坯预先热处理工艺，改善其切削加工性能，稳定渗碳淬火后的变形，提高其整体性能和安全性，是目前最重要的课题，具有重要的实践意义和理论价值。针对公司的生产条件，研究了汽车渗碳变速器用齿轮钢正火工艺，包括正火、等温正火和锻造余热正火三种工艺。对汽车合金渗碳齿轮钢的正火工艺进行了优化，掌握渗碳齿轮钢齿坯正火过程的相变规律，提前制定热处理标准，为切削加工及渗碳淬火工艺奠定技术基础，从根本上解决渗碳淬火变形不规律的现象。

一、材料及方法

采用RX-90井式炉进行加热，模拟锻造后及二次加热奥氏体的状态，保护气氛，炉温由数显调节软件PID控制，温度均匀度≤5℃。采用炉冷法、热砂法、空气冷法和风冷法对连续冷却过程模拟试件进行了试验。用HLD多点温度记录仪测量了样品的冷却过程曲线，其精度等级为0.02，将K型热电偶装入一个样品孔中，当样品冷却时记录其平均冷却速度。零件热处理渗碳淬火设备选用一汽嘉信开发的渗碳生产线，有5个加热区，可以自动控制温度，碳势，以及运行时间。均匀度≤5℃，控制碳含量±0.05%，对零件进行变形试验，比较了常规正火、等温正火对零件变形的影响，以保证在不同预热处理工艺条件下，零件机械加工及渗碳淬火热处理过程的一致性。采用HR-150B布氏硬度计，在硝酸和4%乙醇溶液中进行腐蚀处理后，在MH-6型显微镜下观察到金相组织的变化[1]。

齿轮钢的锻造齿坯预先热处理对渗碳淬火后切削加工性能及变形规律有重要影响。目前公司渗碳齿轮生产采用常规正火、渗碳淬火热处理工艺，存在总成装配困难、噪声大、齿面磨损等问题，不能满足切削加工性能和渗碳淬火后变形的要求，齿轮变形的主要影响因素之一是渗碳淬火。近几年来，随着各种原材料的引进，生产加工水平的提高，对合金渗碳齿轮钢锻件的热处理工艺进行了改进，提出了新的要求，等温正火在20世纪80年代文献中出现。目前国内外尚无关于汽车齿轮钢高温加热、连续冷却等热处理，特别是锻造余热等温正火的报道，根据公司的生产条件，汽车合金渗碳齿轮钢锻造后连续冷却、一般正火、等温从理论上认识和掌握了锻造余热组织性能的变化规律，为优化渗碳齿轮钢组织变形的规律做好准备。​​​

二、结果分析

（一）普通正火

图1正火冷却速度对硬度的影响

主要研究了正火过程中冷却速度对组织和性能的影响，如图显示了冷却速度对22CrMoH钢和20MnCr5钢硬度的影响，即随着冷却速度的增加，硬度逐渐增加。22CrMoH钢的硬度略高于20MnCr5钢，但硬度最好的（HB170-180）是22CrMoH钢，冷却速度范围较大。但是不同的正火处理，组织变化相同，可以看出，22CrMoH钢和20MnCr5钢经不同冷却方式处理，如图1所示。当冷却速度较高时，组织中出现贝氏体，包括铁素体和贝氏体。当钢的奥氏体化温度升高时，冷却转变图也会发生变化。由图可以看出，随着加热温度的升高（1040～1050℃），铁素体加珠光体组织的转变线明显向右移动，但对贝氏体转变的影响不大，增加了奥氏体成分和晶粒尺寸的均匀性。因此，有必要推迟预共折铁素体和珠光体的转变，这对贝氏体的转变影响不大，贝氏体的转变只受粒核、晶核和碳的扩散控制。从上述试验结果和该钢的等温转变图和连续转变可以看出，合金渗碳钢的冷却速度较快，相变温度较低，共析铁素体尺寸减小，珠光体数量增加，硬度提高。如果冷却速度继续增加，就会形成贝氏体。以20MnCr5钢为例，原共晶铁素体加珠光体组织的最大冷却速度为36～42℃/min，获得的粒状贝氏体高于此冷却速度，不符合正火工艺要求。反之，冷却速度较低（30～33℃/min）的钢硬度较低，不能满足正火工艺的要求。为了获得最佳的组织和硬度，冷却速度的范围很窄（6～9℃/min），在生产中很难控制[2]。

（二）等温正火

图2正火等温温度对硬度的影响

当温度为930℃左右时，等温正火将样品迅速冷却到600℃左右，然后在不同温度的炉子中进行等温保存，取出空气冷却，考察不同等温条件下组织和性能的变化。图3中显示了等温正火等温处理对钢件硬度的影响，图3表明，在540℃以下，钢件的硬度将逐渐升高；在相同等温条件下，22CrMoH钢的硬度将明显高于20MnCr5钢，而在560℃的等温正火处理后，22CrMoH钢的显微组织硬度明显高于20MnCr5钢。研究发现，在540℃以下的等温条件下，铁素体加大量贝氏体的显微组织均为先共析，在先共沉淀的铁素体中存在大量的贝氏体。经等温正火试验，在较宽的温度范围(580-660℃)下，获得了最佳的显微组织和硬度，生产过程中的相转变组织和硬度易于控制[3]。

（三）锻造余热正火

图3锻造余热等温正火的组织和硬度

对模拟锻造余热等温正火的样品进行1100℃奥氏化处理，在660、620、580、540和500℃分别保温30分钟后，取出样品空冷。在图3中，样品硬度的测定和观察结果，研究了22CrMoH钢和20MnCr5钢余热正火的组织。等温条件下，组织结构和硬度发生变化；研究发现：在660℃和580℃时，平衡组织铁素体加珠光体形成；随着温度的降低，铁素体晶粒数减少，晶粒与片间的距离减小，钢的硬度增加。在540℃以下，由于贝氏体组织的形成，硬度急剧升高；同样的温度，22CrMoH钢的硬度比20MnCr5钢高；从以上分析可以看出，等温正火产生的组织与锻造余热等温正火产生的组织基本相同。获得了平衡组织铁素体加珠光体，当温度低于540℃时，铁素体中加入大量贝氏体，而在580~660℃时，显微组织和硬度均为最佳，生产易于控制。采用锻造余热等温正火，节能效果显著，经济效益显著。通过对图的对比分析，发现等温正火的组织结构比余热组织结构更为精细。锻后余热等温正火可获得铁素体和贝氏体，但粗正火组织能否满足后续表面淬火后组织性能的要求有待于进一步研究[4]。

三、结论

高温锻造22CrMoH钢和20MnCr5钢，经空气直接冷却(或风冷)后，易获得基本组织，结晶粒径大，硬度高，若不经过预热处理，就不能满足加工要求。一般的正火处理，其冷却速率较窄(6~9℃/min)，在生产过程中难以控制；当温度范围较宽(580~660℃)时，采用等温正火和锻造余热两种正火工艺，在生产过程中可以获得较好的显微组织和较理想的硬度；为了使余热等温正火效果最好，必须控制三个主要参数：等温前冷却速度、等温后冷却速度和等温保持时间。利用余热等温正火锻造得到的铁素体加珠光体组织，还可在后续渗碳淬火中进一步细化，并可根据渗碳淬火的需要，奥氏体晶粒度由5级细化到8级，从而获得细小、均匀的奥氏体颗粒；利用等温正火预热处理，可靠地获得切削加工性能良好、淬火变形规律稳定、变形统计分布合理、概率密度曲线接近正态分布。通过22CrMoH钢和20MnCr5钢的锻造余热等温正火工艺，可以获得较好的组织和性能，同时可以将普通正火的成本由0.35元/kg降至0.22元/kg，仅用一种余热等温正火工艺，每年5000吨钢材锻造就可以节省资金65万元，经济效益十分显著。

参考文献

[1]眭小利.锻造及热处理工艺对20CrMoH钢组织与性能的影响[J].锻压技术,2015,040(009):7-10.

[2]杨明,肖冬玲.热处理工艺对齿轮钢组织与性能的影响[J].铸造技术,2015(1):102-104.

[3]唐海燕,杨卯生,孟文佳,等.Cr-Co-Mo-Ni齿轮钢的热变形行为及模锻工艺的有限元模拟[J].工程科学学报,2016,38(01):77-86.

[4]刘红军.H13锻造模具钢的真空热处理工艺探讨[J].中国金属通报,2016(5):57-58.作者简介：李荫现（1976.9--）男，汉族，江苏省泰州市人，本科，高级工程师，主要研究方向：金属材料的冷、热成形，预处理，产品最终热处理的工艺编制、开发；齿轮、模具等新材料的应用；齿轮、模具新工艺的研究和应用；异常失效件的分析和问题解决。